Real-time forecasting of dietary habits and user health using Federated Learning with privacy guarantees

• Main Author: Horchidan, Sonia-Florina
• Format: Others
• Language: English
• Published: KTH, Skolan för elektroteknik och datavetenskap (EECS) 2020
• Subjects: Federated Learning; Time Series Forecasting; Clustering; Pattern Matching; Real-time Data Processing; Differential Privacy; Data Privacy.; Federerade Lärande; Tidsseriesprognos; Klustergruppering; Mönstermatchning; Realtidshantering av data; Differentialintegritet; Dataintegritet; Computer and Information Sciences; Data- och informationsvetenskap
• Online Access: http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-281366

Modern health self-monitoring devices and applications, such as Fitbit and MyFitnessPal, empower users to take concrete actions and set fitness and lifestyle goals based on their recorded trends and statistics. Predicting such trends is beneficial in the road of achieving long-time targets, as the individuals can adjust their diets and habits at any point to guarantee success. The design and implementation of such a system, which also respects user privacy, is the main objective of our work.This application is modelled as a time-series forecasting problem. Given the historical data of users, we aim to predict their eating and lifestyle habits in real-time. We apply the federated learning paradigm to our use-case be- cause of the highly-distributed nature of our data and the privacy concerns of such sensitive recorded information. However, federated learning from het- erogeneous sequences of data can be challenging, as even state-of-the-art ma- chine learning techniques for time-series forecasting can encounter difficulties when learning from very irregular data sequences. Specifically, in the pro- posed healthcare scenario, the machine learning algorithms might fail to cater to users with unique dietary patterns.In this work, we implement a two-step streaming clustering mechanism and group clients that exhibit similar eating and fitness behaviours. The con- ducted experiments prove that learning federatively in this context can achieve very high prediction accuracy, as our predictions are no more than 0.025% far from the ground truth value with respect to the range of each feature. Training separate models for each group of users is shown to be beneficial, especially in terms of the training time, but it is highly dependent on the parameters used for the models and the training process. Our experiments conclude that the configuration used for the general federated model cannot be applied to the clusters of data. However, a decrease in prediction error of more than 45% can be achieved, given the parameters are optimized for each case.Lastly, this work tackles the problem of data privacy by applying state-of- the-art differential privacy techniques. Our empirical study shows that noising the gradients sent to the server is unsuitable for small datasets and cancels out the benefits obtained by prior users’ clustering. On the other hand, noising the training data achieves remarkable results, obtaining a differential privacy level corresponding to an epsilon value of 0.1 with an increase in the observed mean absolute error by a factor of only 0.21. === Moderna apparater och applikationer för självövervakning av hälsa, som Fitbit och MyFitnessPal, ger användarna möjlighet att vidta konkreta åtgärder och sätta fitness- och livsstilsmål baserat på deras dokumenterade trender och statistik. Att förutsäga sådana trender är fördelaktigt för att uppnå långtidsmål, eftersom individerna kan anpassa sina dieter och vanor när som helst för att garantera framgång.Utformningen och implementeringen av ett sådant system, som dessutom respekterar användarnas integritet, är huvudmålet för vårt arbete. Denna appli- kation är modellerad som ett tidsserieprognosproblem. Med avseende på an- vändarnas historiska data är målet att förutsäga deras matvanor och livsstilsva- nor i realtid. Vi tillämpar det federerade inlärningsparadigmet på vårt använd- ningsfall på grund av den mycket distribuerade karaktären av vår data och in- tegritetsproblemen för sådan känslig bokförd information. Federerade lärande från heterogena datasekvenser kan emellertid vara utmanande, eftersom även de modernaste maskininlärningstekniker för tidsserieprognoser kan stöta på svårigheter när de lär sig från mycket oregelbundna datasekvenser. Specifikt i det föreslagna sjukvårdsscenariot kan maskininlärningsalgoritmerna misslyc- kas med att förse användare med unika dietmönster.I detta arbete implementerar vi en tvåstegsströmmande klustermekanism och grupperar användare som uppvisar liknande ät- och fitnessbeteenden. De genomförda experimenten visar att federerade lärande i detta sammanhang kan uppnå mycket hög nogrannhet i förutsägelse, eftersom våra förutsägelser in- te är mer än 0,025% ifrån det sanna värdet med avseende på intervallet för varje funktion. Träning av separata modeller för varje grupp användare visar sig vara fördelaktigt, särskilt gällande träningstiden, men det är mycket be- roende av parametrarna som används för modellerna och träningsprocessen. Våra experiment drar slutsatsen att konfigurationen som används för den all- männa federerade modellen inte kan tillämpas på dataklusterna. Dock kan en minskning av förutsägelsefel på mer än 45% uppnås, givet att parametrarna är optimerade för varje fall.Slutligen hanteras problemet med datasekretess genom att tillämpa bästa tillgängliga differentiell integritetsteknik. Vår empiriska studie visar att adde- ra brus till gradienter som skickas till servern är olämpliga för liten data och avbryter fördelarna med tidigare användares kluster. Däremot, genom att ad- dera brus till träningsdata uppnås anmärkningsvärda resultat. En differentierad integritetsnivå motsvarande ett epsilonvärde på 0,1 med en ökning av det ob- serverade genomsnittliga absoluta felet med en faktor på endast 0,21 erhölls.