Communications for Statistical Applications and Methods
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v.29
no.2
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pp.177-191
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2022
This paper addresses the use of machine learning methods for causal estimation of treatment effects from observational data. Even though conducting randomized experimental trials is a gold standard to reveal potential causal relationships, observational study is another rich source for investigation of exposure effects, for example, in the research of comparative effectiveness and safety of treatments, where the causal effect can be identified if covariates contain all confounding variables. In this context, statistical regression models for the expected outcome and the probability of treatment are often imposed, which can be combined in a clever way to yield more efficient and robust causal estimators. Recently, targeted maximum likelihood estimation and causal random forest is proposed and extensively studied for the use of data-adaptive regression in estimation of causal inference parameters. Machine learning methods are a natural choice in these settings to improve the quality of the final estimate of the treatment effect. We explore how we can adapt the design and training of several machine learning algorithms for causal inference and study their finite-sample performance through simulation experiments under various scenarios. Application to the percutaneous coronary intervention (PCI) data shows that these adaptations can improve simple linear regression-based methods.
Much of our experiments are designed to uncover the cause(s) and effect(s) behind a phenomenon (i.e., data generating mechanism) we happen to be interested in. Uncovering such relationships allows us to identify the true workings of a phenomenon and, most importantly, to realize and articulate a model to explore the phenomenon on hand and/or allow us to predict it accurately. Fundamentally, such models are likely to be derived via a causal approach (as opposed to an observational or empirical mean). In this approach, causal discovery is required to create a causal model, which can then be applied to infer the influence of interventions, and answer any hypothetical questions (i.e., in the form of What ifs? Etc.) that commonly used prediction- and statistical-based models may not be able to address. From this lens, this paper builds a case for causal discovery and causal inference and contrasts that against common machine learning approaches - all from a civil and structural engineering perspective. More specifically, this paper outlines the key principles of causality and the most commonly used algorithms and packages for causal discovery and causal inference. Finally, this paper also presents a series of examples and case studies of how causal concepts can be adopted for our domain.
Journal of Korea Society of Digital Industry and Information Management
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v.19
no.4
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pp.45-52
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2023
With the advent of deep learning, Artificial Intelligence (AI) technology has experienced rapid advancements, extending its application across various industrial sectors. However, the focus has shifted from the independent use of AI technology to its dispersion and proliferation through the open AI ecosystem. This shift signifies the transition from a phase of research and development to an era where AI technology is becoming widely accessible to the general public. However, as this dispersion continues, there is an increasing demand for the verification of outcomes derived from AI technologies. Causal AI applies the traditional concept of causal inference to AI, allowing not only the analysis of data correlations but also the derivation of the causes of the results, thereby obtaining the optimal output values. Causal AI technology addresses these limitations by applying the theory of causal inference to machine learning and deep learning to derive the basis of the analysis results. This paper analyzes recent cases of causal AI technology and presents the major tasks and directions of causal AI, extracting patterns between data using the correlation between them and presenting the results of the analysis.
Proceedings of the Korean Society of Precision Engineering Conference
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1995.10a
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pp.1039-1042
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1995
In real time application such as motion control, it is hard to find the application of non-causal filtering due to its need for future position data, even though it shows wide usage in off-line digital signal processing. Recently, some of motion control areas such as learning and repetitive control use non-causal filtering technique in their application. these kinds of zero-lag non-causal filter application are very usful not only to reduce the machine vibration, but also to increase control accuracy with comparatively less work. In this paper, genuine method to implement zero-lag non-causal filter in a CNC is introduced. Also the variation of this implementation for the learning operation is suggested to give the NC better control performance for a specific job. By adopting the new NC architecture call Soft-NC, all these implementions are made possible here, and especially large memory requirement which hinders their usage for many years is no longer barrier in their real world application.
Jiyoon Choi;Sihyeon Kim;Songe Lee;Kyunghun Kim;Sudong Lee
Journal of the Korea Safety Management & Science
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v.25
no.3
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pp.63-71
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2023
The construction industry stands out for its higher incidence of accidents in comparison to other sectors. A causal analysis of the accidents is necessary for effective prevention. In this study, we propose a data-driven causal analysis to find significant factors of fatal construction accidents. We collected 14,318 cases of structured and text data of construction accidents from the Construction Safety Management Integrated Information (CSI). For the variables in the collected dataset, we first analyze their patterns and correlations with fatal construction accidents by statistical analysis. In addition, machine learning algorithms are employed to develop a classification model for fatal accidents. The integration of SHAP (SHapley Additive exPlanations) allows for the identification of root causes driving fatal incidents. As a result, the outcome reveals the significant factors and keywords wielding notable influence over fatal accidents within construction contexts.
Kim, Jin-Pyung;Jang, Gyu-Jin;Jung, Jae-Young;Kim, Moon-Hyun
Journal of Electrical Engineering and Technology
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v.9
no.3
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pp.1051-1059
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2014
In this paper, we propose an intelligent situation recognition model by collecting and analyzing multiple sensor signals. Multiple sensor signals are collected for fixed time window. A training set of collected sensor data for each situation is provided to K2-learning algorithm to generate Bayesian networks representing causal relationship between sensors for the situation. Statistical characteristics of sensor values and topological characteristics of generated graphs are learned for each situation. A neural network is designed to classify the current situation based on the extracted features from collected multiple sensor values. The proposed method is implemented and tested with UCI machine learning repository data.
The interest in machine learning is growing in all industries, but it is difficult to apply it to real-world tasks because of inexplicability. This paper introduces a case of developing a financial customer churn prediction model for a securities company, and introduces the research results on an attempt to develop a machine learning model that can be explained using the SHAP Value methodology and derivation of interpretability. In this study, a total of six customer churn models are compared and analyzed, and the cause of customer churn is inferred through the classification and data analysis of SHAP Value and the type of customer asset change. Based on the results of this study, it would be possible to use it as a basis for comprehensive judgment, such as using the Value of the deviation prediction result that can infer the cause of the marketing manager's actual customer marketing in the future and establishing a target marketing strategy for each customer.
Causal questions are prevalent in scientific research, for example, how effective a treatment was for preventing an infectious disease, how much a policy increased utility, or which advertisement would give the highest click rate for a given customer. Causal inference theory in statistics interprets those questions as inferring the effect of a given intervention (treatment or policy) in the data generating process. Causal inference has been used in medicine, public health, and economics; in addition, it has received recent attention as a tool for data-driven decision making processes. Many recent datasets are observational, rather than experimental, which makes the causal inference theory more complex. This review introduces key concepts and recent trends of statistical causal inference in observational studies. We first introduce the Neyman-Rubin's potential outcome framework to formularize from causal questions to average treatment effects as well as discuss popular methods to estimate treatment effects such as propensity score approaches and regression approaches. For recent trends, we briefly discuss (1) conditional (heterogeneous) treatment effects and machine learning-based approaches, (2) curse of dimensionality on the estimation of treatment effect and its remedies, and (3) Pearl's structural causal model to deal with more complex causal relationships and its connection to the Neyman-Rubin's potential outcome model.
Journal of Information Technology Applications and Management
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v.30
no.4
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pp.29-38
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2023
A single-learner model which integrates the user's positive and negative perceptions is proposed by augmenting counterfactual data to the interaction data between users and items, which are mainly used in collaborative filtering in this study. The proposed CausRec showed superior performance compared to the existing NCF model in terms of F1 value and AUC in experiments using three published datasets: MovieLens 100K, Amazon Gift Card, and Amazon Magazine. Compared to the existing NCF model, the F1 and AUC values of CausRec showed 1.2% and 2.6% performance improvement in MovieLens 100K data, and 2.2% and 10% improvement in Amazon Gift Card data, respectively. In particular, in experiments using Amazon Magazine data, F1 and AUC values were improved by 11.7% and 21.9%, respectively, showing a significant performance improvement effect. The performance of CausRec is improved because both positive and negative perceptions of the item were reflected in the recommendation at the same time. It is judged that the proposed method was able to improve the performance of the collaborative filtering because it can simultaneously alleviate the sparsity and imbalance problems of the interaction data.
Park, Sung Bae;Chung, Chun Kee;Gonzalez, Efrain;Yoo, Changwon
Journal of Bone Metabolism
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v.25
no.4
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pp.251-266
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2018
Background: The causal networks among genes that are commonly expressed in osteoblasts and during bone metastasis (BM) of breast cancer (BC) are not well understood. Here, we developed a machine learning method to obtain a plausible causal network of genes that are commonly expressed during BM and in osteoblasts in BC. Methods: We selected BC genes that are commonly expressed during BM and in osteoblasts from the Gene Expression Omnibus database. Bayesian Network Inference with Java Objects (Banjo) was used to obtain the Bayesian network. Genes registered as BC related genes were included as candidate genes in the implementation of Banjo. Next, we obtained the Bayesian structure and assessed the prediction rate for BM, conditional independence among nodes, and causality among nodes. Furthermore, we reported the maximum relative risks (RRs) of combined gene expression of the genes in the model. Results: We mechanistically identified 33 significantly related and plausibly involved genes in the development of BC BM. Further model evaluations showed that 16 genes were enough for a model to be statistically significant in terms of maximum likelihood of the causal Bayesian networks (CBNs) and for correct prediction of BM of BC. Maximum RRs of combined gene expression patterns showed that the expression levels of UBIAD1, HEBP1, BTNL8, TSPO, PSAT1, and ZFP36L2 significantly affected development of BM from BC. Conclusions: The CBN structure can be used as a reasonable inference network for accurately predicting BM in BC.
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