Drzewo decyzyjne, czyli jak wybrać dobrze lub wyłącznie mniejsze zło
Ilość podejmowanych przez nas decyzji potrafi przyprawić o zawrót głowy. Sporej ich części w ogóle nie jesteśmy nawet świadomi. Po prostu działają pewne wypracowane przez lata automatyzmy. Ale gdyby tak zacząć notować każdą z nich, to na koniec dnia ich liczba byłaby dość pokaźna. Ciekawe w ilu takich przypadkach po pewnym czasie wybralibyśmy jednak inaczej, oczywiście gdyby to tylko było możliwe. A zazwyczaj niestety nie jest.
Sam proces decyzyjny bardzo często oparty jest o jakąś formę analizy ryzyka. Oczywiście w życiu prywatnym nikt specjalnie nie tworzy w tym celu FMEA. Ale i tak weryfikujemy pewne czynniki, konsultujemy się z innymi, szukamy opinii a przede wszystkim dajemy sobie odpowiedni zapas czasu na przemyślenie. Myślę, że każdemu choć raz zdarzyła się sytuacja, że po dłuższym zastanowieniu jednak rezygnowaliśmy z zakupu danego produktu.
Analogicznie bywa również w naszej pracy zawodowej. Spora część realizowanych zadań często jest już w jakiś sposób sformalizowana w postaci instrukcji, czy też diagramu procesu. Nie zawsze jednak to możliwe. Są bowiem takie przypadki, które nie są ani czarne ani białe a w pewnych odcieniach szarości. Wówczas niezbędne będzie podjęcie odpowiedniej decyzji.
Konieczne one będę także podczas realizacji całkowicie nowych projektów, gdzie mamy sporo czynników wpływających na ostateczny rezultat. Im bardziej jest on skomplikowany tym trudniejsza decyzja do podjęcia. Zwłaszcza jeśli wiąże się z ryzykiem dużej straty. W takich wypadkach pomocne może być drzewo decyzyjne, jedno z siedmiu nowych narzędzi zarządzania i planowania, które w przejrzysty sposób zwizualizuje cały proces.
W tym materiale zagłębimy się nieco w tajniki tej metodologii oraz sprawdzimy jak skutecznie wykorzystać ją podczas realizacji naszych obowiązków zawodowych. Ze względu na wąską specjalizację bloga skupimy się jednak bardziej na wykorzystaniu w zarządzaniu jakością. Dlatego w temacie algorytmów i uczenia maszynowego zrobimy wyłącznie krótkie wprowadzenie. Tradycyjnie zaczniemy od pewnej dawki teorii, aby później przetestować ją w praktyce. Miłej lektury!
W skrócie
Czytając ten artykuł dowiesz się:
- Co to jest drzewo decyzyjne oraz jakie ma zastosowanie.
- Jak krok po kroku stworzyć drzewo decyzyjne.
- Jakie są zalety tej metodologii, oraz co może być jej wadą.
Co to jest drzewo decyzyjne?
Drzewo decyzyjne jest to metodologia stosowana do graficznego przedstawienia procesu podejmowania decyzji. Pozwala na weryfikację skutków różnych wariantów oraz wpływu poszczególnych czynników na efekt finalny. Znane jest również jako drzewo analityczne, diagram hierarchii czy też mapa zadań.
Drzewo decyzyjne zaliczane jest do grona siedmiu narzędzi zarządzania i planowania. Zestaw ten często nazywany jest również nowymi narzędziami zarządzania jakością. Ich rolą jest rozszerzenie możliwości innej grupy metodologii, którą jeszcze w 1968 roku zebrał Kaoru Ishikawa. Więcej na ich temat przeczytasz w artykułach:
Metodologia może mieć formę pionowego lub poziomego diagramu. W pierwszym przypadku początek drzewa znajduje się na jego szczycie, zaś przy poziomej wersji po jego lewej stronie. Niezależnie od wybranego typu początek drzewa, czyli zdefiniowanych cel lub projekt, nazywany jest jego korzeniem. Im bardziej skomplikowany jest proces decyzyjny tym bardziej rozrastają nam się gałęzie drzewa. Stąd też jego nazwa.
Jakościowiec teraz także na LinkedIn!
Drzewo decyzyjne krok po kroku
Im więcej różnych czynników jest związanych z danym projektem tym bardziej skomplikowany może być proces decyzyjny. Każdy wybór jaki mamy to również kolejne rozgałęzienie w tworzonym diagramie a także wejście w coraz większe szczegóły.
Podstawą do jakichkolwiek działań jest określenie celu, problemu lub projektu jaki będzie realizowany. Ten zapisuje tak jak przed chwilą wspomnieliśmy albo na górze diagramu albo po jego lewej stronie. Jest to pierwszy węzeł naszego drzewa nazywany głównym (ang. node root). Może być on określony w formie pytania, ale nie jest to konieczne.
Następnym krokiem jest podział (splitting) drzewa stosując odpowiednie kryteria. W rezultacie najczęściej otrzymujemy dwa odgałęzienia, ale w razie potrzeby może być ich więcej. Podział dokonujemy za pomocą strzałek kierowanych do węzłów decyzyjnych (decision node). Każda ze strzałek opisana jest stosując wspomniane kryteria. Może to być po prostu odpowiedź na pytanie: tak lub nie. Innym rodzajem podziału są przykładowo odpowiednie przedziały liczbowe.
Teraz możemy przejść do tworzenia kolejnych węzłów decyzyjnych według tej samej zasady. Poza wspomnianym podziałem może dojść również do tzw. przycinania drzewa (prunning). Jest to proces odwrotny w przypadku, którego z dwóch lub więcej węzłów tworzy się jeden. Końcowym elementem drzewa jest węzeł, który nie wymaga podziału. Nazywany jest on liściem lub węzłem liściowych (leaf node). Takie węzły występować muszą na każdym z rozgałęzień. Stanowią one rezultat jaki otrzymamy w przypadku decyzji o akceptacji danych czynników lub wartości.
Tworząc drzewo decyzyjne posiłkować możemy się także innymi narzędziami jakościowymi. Przykładem niech będzie chociażby burza mózgów, dzięki czemu będziemy w stanie zdefiniować różne kryteria podziału a także przewidzieć otrzymane rezultaty. Ciekawą metodologią, która opiera się właśnie o burzę mózgów jest diagram pokrewieństwa. Narzędzie pozwala na usystematyzowanie zebranych informacji oraz ich większą przejrzystość. Metoda analogicznie jak drzewo decyzyjne zaliczana jest do siedmiu narzędzi narzędzi zarządzania i planowania. Więcej na temat tej metody przeczytać możecie w osobnym artykule dostępnym na blogu:
Na koniec pozostało nam jeszcze najważniejsze, czyli przeanalizowanie różnych możliwości jakie mamy. Zweryfikujmy szczegółowo każdy dostępny wariant i wybierzmy opcję, która będzie dla nas najbardziej korzystna. Pamiętajmy również, że w niektórych sytuacjach drzewo decyzyjne może być wykorzystane także w projektach, które z góry wiemy, że będą miały negatywny wydźwięk. Niestety w biznesie czasem tak bywa. Przykładem niech będą chociażby procesy redukcji etatów. Wówczas metodologia może być pomocna, aby wybrać tak zwane mniejsze zło.
Drzewo decyzyjne – tok postępowania
1. Określ węzeł główny – cel, problem lub projekt
2. Dokonaj podziału węzła głównego stosując określone kryteria
3. Analogicznie dokonaj podziału węzłów decyzyjnych
4. Powtarzaj tą czynność, aż dotrzesz do węzłów liściowych
5. Przeanalizuj różne warianty i podejmij właściwą decyzję.
Kolejne artykuły w każdy poniedziałek!
Obserwuj Jakościowca w mediach społecznościowych i bądź na bieżąco.
Drzewo decyzyjne – przykład praktyczny
Przejdźmy zatem do części praktycznej, gdzie stworzymy prosty diagram decyzyjny. Bazować będziemy na tematyce związanej z zarządzaniem jakością a dokładniej zarządzaniem dostawcami. Poniżej zdefiniowany mamy kontekst planowanego projektu.
Organizacja, dla której pracujemy zaczyna stawiać swoje pierwsze kroki w obróbce maszynowej. Udało nam się już wynająć odpowiedni budynek, wyposażyć go w maszyny oraz niezbędne oprzyrządowanie a także rozpocząć szkolenie operatorów. Na horyzoncie zaczynają pojawiać się pierwsze zamówienia. Jedno z nich wymagać będzie dużo bardziej precyzyjnej obróbki niż to do tej pory planowaliśmy. Na szczęście nasze maszyny są w stanie temu podołać. Tolerancje określone na rysunkach klienta są dość ciasne, dlatego niezbędny będzie rozwój działu kontroli jakości.
Nowo zatrudniony kierownik zdefiniował niezbędne wyposażenie pomiarowe, ale to nie wszystko czego oczekuje klient. Oczekuje on bowiem, że każdy przyrząd skalibrowany będzie do wzorca narodowego. W sumie to nic trudnego tylko, że na chwilę obecną nie mamy ani odpowiednich przyrządów ani nawet personelu, który byłby zdolny do przeprowadzenia takiego wzorcowania. Utworzenie placówki kalibracji niestety nie wchodzi w grę. Projekt jest dość pilny do wdrożenie a skompletowanie odpowiedniej kadry niestety zajmie zbyt długo. Dlatego ten wariant z automatu został odrzucony. Przynajmniej na tym etapie. Niewykluczone jednak, że w przyszłości do niego wrócimy.
Niezbędne zatem będzie skorzystanie z zewnętrznego źródła. Pytanie tylko, którą placówkę wybrać i czy na pewno jedna wystarczy… Odpowiedź nie jest łatwa. Ale zakasujemy rękawy i bierzemy się do roboty. Na początku musimy określić niezbędne kryteria, które z jednej strony w znaczący sposób ograniczą ilość sprawdzanych placówek a z drugiej zapewnią, że wybrane laboratorium spełni potrzeby naszej organizacji oraz klienta.
Zaczynamy zatem od prostej burzy mózgów, która pozwoli nam zdefiniować różne czynniki istotne z punktu widzenia osiągnięcia zamierzonego celu. Kierownik Kontroli Jakości powołał, kilku osobowy zespół i zwołał pilne spotkanie.
W jego rezultacie udało się określić następujące kategorie:
– posiadanie akredytacji ISO 17025 przez laboratorium
– wyposażenie znajduje się w zakresie akredytacji
– cena za usługę
– czas realizacji usługi bez transportu
– lokalizacja laboratorium
Dla każdego z nich musimy teraz zdefiniować niezbędne kryteria akceptacji. Po dłuższej analizie otrzymaliśmy takie wyniki:
| Kryterium | Warunek #1 | Warunek #2 |
|---|---|---|
| Posiadanie akredytacji ISO 17025 przez laboratorium | Tak | Nie |
| Wyposażenie znajduje się w zakresie akredytacji | Tak | Nie |
| Cena za usługę | Poniżej 20% ceny zakupu przyrządu | Powyżej 20% ceny zakupu przyrządu |
| Czas realizacji usługi bez transportu | 5 dni roboczych lub szybciej | Powyżej 5 dni roboczych |
| Lokalizacja laboratorium | 30 km lub mniej | Powyżej 30 km |
Możemy zatem zacząć rysować nasze drzewo decyzyjne. Dwie pierwsze kategorie, czyli posiadanie akredytacji ISO 17025 przez laboratorium oraz co istotne również objęcie nią wyposażenia, które chcielibyśmy kalibrować jest dla nas niezbędnym wymaganiem. Wynika bowiem wprost ze specyfikacji klienta. Dlatego jeżeli dana placówka go nie spełnia to z automatu musi zostać odrzucona. Tak przy okazji, jeśli sami poszukujemy laboratorium wzorcującego to warto zwracać uwagę zwłaszcza na ten drugi czynnik. Bowiem bardzo często laboratoria posiadają akredytację według wymagań ISO 17025 jednak ilość sprzętu nią objętego jest mocno ograniczona. Co oczywiście nie przeszkadza im odpowiednio liczyć sobie za daną usługę.
Analogicznie będzie w przypadku każdej z kolejnych kategorii. Cena za usługę musi mieścić się w posiadanym budżecie, który jak wiadomo nie jest elastyczny. Czas realizacji usługi nie może być zbyt długi, bowiem nie posiadamy zapasowych przyrządów. Zaś klient wymaga od nas, aby proces produkcyjny wykonany został w przeciągu 10 dni roboczych od daty dostawy surowego materiału. Po tym czasie wysyła transport po jego odbiór. Dlatego 5 dni jest maksymalnym okresem na jaki możemy sobie pozwolić. Wliczamy w to oczywiście czas transportu dlatego istotna jest dla nas lokalizacja laboratorium. Do 30 kilometrów jesteśmy w stanie dość szybko sami zawieźć a także odebrać wyposażenie. Powyżej tej odległości korzystać musielibyśmy z przewoźnika zewnętrznego co dodatkowo wydłużyło by czas o kolejne kilka dni. A w razie jakichkolwiek problemów jeszcze bardziej.
Dlatego w przypadku każdego podziału naszego drzewa będziemy mieli węzły liściowe lub po prostu liście. Ścieżka dla realizowanego procesu jest dość prosta i zakłada, że docelowe laboratorium musi spełnić wszystko przyjęte kryteria. W naszym przypadku okazało się to możliwe. Jednak pamiętajmy, że nie zawsze tak będzie. Wówczas niestety będziemy musieli pójść na pewne ustępstwa. Przykładowo nieco zwiększyć budżet na usługę. Czasem może się okazać, że zostanie on przekroczony tylko w niewielkim stopniu zaś korzyści z takiej decyzji będą dużo większe.
Sprawdźmy zatem jak prezentuje się drzewo decyzyjne oparte o powyższe kryteria.
Algorytmy tworzenia drzew decyzyjnych
Drzewo decyzyjne wykorzystywane jest dość często w procesie uczenia maszynowego. W tym celu opracowanych zostało kilka różnych algorytmów, które znacząco wspomagają ten proces.
Uczenie maszynowe jest to element sztucznej inteligencji, którego rolą jest doskonalenie się danego oprogramowania bazując na dostępnych danych, ale bez konieczności dodatkowego programowania.
Przykładami wspomnianych algorytmów mogą byc:
– ID3 (Iterative Dichotomiser 3)
– C4.5
– CART (Classification and Regression Trees)
– CHAID (Chi-Square Automatic Interaction Detection)
– MARS (Multivariate Adaptive Regression Splines)
Jakie zalety, ale i wady ma drzewo decyzyjne?
Drzewo decyzyjne jest ciekawą metodologią, która ma dość szerokie spektrum zastosować. Sprawdźmy zatem co można by uznać za jego największe zalety a także, czy może mieć ono jakieś wady.
Zalety drzewa decyzyjnego:
– wizualizacja – dzięki graficznej formie ułatwia interpretację i zrozumienie poszczególnych aspektów traktowanych jako kryteria
– rodzaje danych – może bazować zarówno na danych numerycznych jak i kategorycznych
– wszechstronność – pozwala na zastosowanie do wielu różnych celów jak i niezależnie od branży
– planowanie strategiczne – dzięki bazowaniu na zasadzie, gdzie przechodzimy od ogółu do szczegółu, pozwala na rozwiązywanie problemów strategicznych.
– wydajność – może być tworzone w dość krótkim czasie oraz wymaga niewielkiej ilości zasobów
Wady drzewa decyzyjnego:
– kompleksowość – im więcej czynników weźmiemy pod uwagę tym bardziej rozrośnięte będzie nasze drzewo, warto o tym pamiętać, aby jeszcze bardziej nie utrudnić sobie podjęcia decyzji
– błędne wyniki – metodologia wymaga dokładnego przeanalizowania różnych aspektów związanych z danym projektem. Jeśli nie przyłożymy się do tego odpowiednio to podjęta decyzja może nie być dla nas najlepszą opcją.
Podsumowując…
Drzewo decyzyjne zaliczane jest do grona siedmiu narzędzi zarządzania i planowania. Jego rolą jest graficzne przedstawienie wpływu poszczególnych czynników na ostateczny wynik. Ułatwia to nie tylko podjęcie bardziej świadomej decyzji, ale także lepsze zrozumienie poszczególnych aspektów, jakie bierzemy pod uwagę. Od lat z powodzeniem stosowane jest także w uczeniu maszynowym za sprawą różnych algorytmów. Pozwoliło to na uproszczenie oraz zautomatyzowanie wielu procesów.
Drzewo decyzyjne dość często stosowane jest chociażby w ekonomii czy botanice. Nic jednak nie stoi na przeszkodzie, aby wykorzystać jego możliwości na wielu innych płaszczyznach. Chociażby w zarządzaniu jakością podczas podejmowania decyzji dotyczących bardziej złożonych projektów. Można go również używać przykładowo w kontekście naszych prywatnych decyzji, które nierzadko bywają równie skomplikowane. Jeśli połączymy drzewo decyzyjne z dowolną analizą ryzyka to otrzymamy dość ciekawe połączenie, które może nas ustrzec przed popełnieniem jakiegoś błędu.
Mimo, że drzewo decyzyjne bardziej kojarzy się z branżą IT to ciekawe czy wykorzystujecie je również w zarządzaniu jakością lub projektami. Jeśli tak to podzielcie się swoimi spostrzeżeniami w sekcji komentarzy poniżej artykułu. Do zobaczenia w następny poniedziałek!
