Interaktive Netzwerkvisualisierung mit R

Netzwerke sind überall. Wir haben soziale Netzwerke wie Facebook, kompetitive Produktnetzwerke oder verschiedene Netzwerke innerhalb einer Organisation. Auch für statworx ist es eine häufige Aufgabe, verborgene Strukturen und Cluster in einem Netzwerk aufzudecken und sie für unsere Kunden zu visualisieren. In der Vergangenheit haben wir dazu das Tool Gephi verwendet, um unsere Ergebnisse der Netzwerkanalyse zu visualisieren. Beeindruckt von dieser schönen und interaktiven Visualisierung war unsere Idee, einen Weg zu finden, Visualisierungen in der gleichen Qualität direkt in R zu erstellen und sie unseren Kunden in einer R Shiny App zu präsentieren.

Unsere erste Überlegung war, Netzwerke mit igraph zu visualisieren, einem Paket, das eine Sammlung von Netzwerkanalysetools enthält, wobei der Schwerpunkt auf Effizienz, Portabilität und Benutzerfreundlichkeit liegt. Wir haben es in der Vergangenheit schon in unserem Paket helfRlein für die Funktion getnetwork verwendet. Das Paket igraph kann zwar ansprechende Netzwerkvisualisierungen erstellen, aber leider sind diese jedoch ausschließlich statisch. Um hingegen interaktive Netzwerkvisualisierungen zu erstellen, stehen uns mehrere Pakete in R zur Verfügung, die alle auf Javascript-Bibliotheken basieren.

Unser Favorit für diese Visualisierungsaufgabe ist das Paket visNetwork, das die Javascript-Bibliothek vis.js verwendet und auf htmlwidgets basiert. Es ist mit Shiny, R Markdown-Dokumenten und dem RStudio-Viewer kompatibel. visNetwork bietet viele Anpassungsmöglichkeiten, um ein Netzwerk zu individualisieren, einen schönen Output und eine gute Performance, was sehr wichtig ist, wenn wir den Output in Shiny verwenden möchten. Außerdem ist eine hervorragende Dokumentation hier zu finden.

Gehen wir nun also die Schritte durch, die von der Datenbasis bis hin zur perfekten Visualisierung in R Shiny gemacht werden müssen. Dazu verwenden wir im Folgenden das Netzwerk der Les Misérables Charaktere als Beispiel. Dieses ungerichtete Netzwerk enthält Informationen dazu, welche Figuren in Victor Hugos Roman "Les Misérables" gemeinsam auftreten. Ein Knoten (engl. Node) steht für eine Figur, und ein Kante (engl. Edge) zwischen zwei Knoten zeigt an, dass diese beiden Figuren im selben Kapitel des Buches auftreten. Das Gewicht jeder Verbindung gibt an, wie oft ein solches gemeinsames Auftreten vorkommt.

Datenaufbereitung

Als erstes müssen wir das Paket mit install.packages("visNetwork") installieren und den Datensatz lesmis laden. Der Datensatz ist im Paket geomnet enthalten.

Um das Netzwerk zwischen den Charakteren von Les Misérables zu visualisieren, benötigt das Paket visNetwork zwei Datensätze. Einen für die Knoten und einen für die Kanten des Netzwerks. Glücklicherweise liefern unsere geladenen Daten beides und wir müssen sie nur noch in das richtige Format bringen.

rm(list = ls())

# Libraries ---------------------------------------------------------------
library(visNetwork)
library(geomnet)
library(igraph)


# Data Preparation --------------------------------------------------------

#Load dataset
data(lesmis)

#Nodes
nodes <- as.data.frame(lesmis[2])
colnames(nodes) <- c("id", "label")

#id has to be the same like from and to columns in edges
nodes$id <- nodes$label

#Edges
edges <- as.data.frame(lesmis[1])
colnames(edges) <- c("from", "to", "width")

Die folgende Funktion benötigt spezifische Namen für die Spalten, um die richtige Spalte zu erkennen. Zu diesem Zweck müssen die Kanten ein Data Frame mit mindestens einer Spalte sein, die angibt, in welchem Knoten eine Kante beginnt (from) und wo sie endet (to). Für die Knoten benötigen wir mindestens eine eindeutige ID (id), die mit den Argumenten from und to übereinstimmen muss.

Knoten:

• label: Eine Spalte, die definiert, wie ein Knoten beschriftet ist
• value: Definiert die Größe eines Knotens innerhalb des Netzwerks
• group: Weist einen Knoten einer Gruppe zu; dies kann das Ergebnis einer Clusteranalyse oder einer Community Detection sein
• shape: Legt fest, wie ein Knoten dargestellt wird. Zum Beispiel als Kreis, Quadrat oder Dreieck
• color: Legt die Farbe eines Knotens fest
• title: Legt den Tooltip fest, der erscheint, wenn du den Mauszeiger über einen Knoten bewegst (dies kann HTML oder ein Zeichen sein)
• shadow: Legt fest, ob ein Knoten einen Schatten hat oder nicht (TRUE/FALSE)

Kanten:

• label, title, shadow
• length, width: Definiert die Länge/Breite einer Kante innerhalb des Netzwerks
• arrows: Legt fest, wo ein möglicher Pfeil an der Kante gesetzt werden soll
• dashes: Legt fest, ob die Kanten gestrichelt sein sollen oder nicht (TRUE/FALSE)
• smooth: Darstellung als Kurve (TRUE/FALSE)

Dies sind die wichtigsten Einstellungen. Sie können für jeden einzelnen Knoten oder jede einzelne Kante individuell angepasst werden. Um einige Konfigurationen für alle Knoten oder Kanten einheitlich einzustellen, wie z.B. die gleiche Form oder Pfeile, können wir später bei der Spezifizierung des Outputs visNodes und visEdges nutzen. Wir werden diese Möglichkeit später noch genauer betrachten.

Zusätzlich wollen wir Gruppen innerhalb des Netzwerks identifizieren und darstellen. Wir werden dazu die Gruppen hervorheben, indem wir den Kanten des Netzwerks Farben hinzufügen. Dafür clustern wir die Daten zuerst mit der Community Detection Methode Louvain und erhalten die neue Spalte group:

#Create graph for Louvain
graph <- graph_from_data_frame(edges, directed = FALSE)

#Louvain Comunity Detection
cluster <- cluster_louvain(graph)

cluster_df <- data.frame(as.list(membership(cluster)))
cluster_df <- as.data.frame(t(cluster_df))
cluster_df$label <- rownames(cluster_df)

#Create group column
nodes <- left_join(nodes, cluster_df, by = "label")
colnames(nodes)[3] <- "group"

Output Optionen

Um einen Eindruck davon zu geben, welche Möglichkeiten wir haben, wenn es um die Design- und Funktionsoptionen bei der Erstellung unseres Output geht, sehen wir uns zwei Darstellungen des Les Misérables-Netzwerks genauer an.

Wir beginnen mit der einfachsten Möglichkeit und geben nur die Knoten und Kanten als Data Frames an die Funktion weiter:

visNetwork(nodes, edges)

Mit dem Pipe-Operator können wir unser Netzwerk mit einigen anderen Funktionen wie visNodes, visEdges, visOptions, visLayout oder visIgraphLayout anpassen:

visNetwork(nodes, edges, width = "100%") %>%
  visIgraphLayout() %>%
  visNodes(
    shape = "dot",
    color = list(
      background = "#0085AF",
      border = "#013848",
      highlight = "#FF8000"
    ),
    shadow = list(enabled = TRUE, size = 10)
  ) %>%
  visEdges(
    shadow = FALSE,
    color = list(color = "#0085AF", highlight = "#C62F4B")
  ) %>%
  visOptions(highlightNearest = list(enabled = T, degree = 1, hover = T),
             selectedBy = "group") %>% 
  visLayout(randomSeed = 11)

visNodes und visEdges beschreiben das allgemeine Aussehen der Knoten und Kanten im Netzwerk. Wir können zum Beispiel die Form aller Knoten festlegen oder die Farben aller Kanten definieren.

Wenn es um die Veröffentlichung in R geht, kann das Rendern des Netzwerks viel Zeit in Anspruch nehmen. Um dieses Problem zu lösen, verwenden wir die Funktion visIgraph. Sie verkürzt die Darstellungszeit, indem sie die Koordinaten im voraus berechnet und alle verfügbaren igraph-Layouts bereitstellt.

Mit visOptions können wir einstellen, wie das Netzwerk reagiert, wenn wir mit ihm interagieren. Zum Beispiel, was passiert, wenn wir auf einen Knoten klicken.

Mit visLayout können wir das Aussehen des Netzwerks festlegen. Soll es ein hierarchisches sein oder wollen wir das Layout mit einem speziellen Algorithmus verbessern? Außerdem können wir einen Seed (randomSeed) angeben, damit das Netzwerk immer identisch aussieht, wenn wir es laden.

Dies sind nur einige Beispielfunktionen, mit denen wir unser Netzwerk anpassen können. Das Paket bietet noch viel mehr Möglichkeiten zur individuellen Anpassung. Weitere Details sind in der Dokumentation zu finden.

Shiny Integration

Um die interaktiven Ergebnisse unseren Kunden zu präsentieren, wollen wir sie in eine Shiny-App integrieren. Deshalb bereiten wir die Daten "offline" auf, speichern die Knoten- und Kanten-Dateien und erstellen den Output innerhalb der Shiny-App "online". Hier ist ein einfaches Beispiel für das Schema, das für Shiny verwendet werden kann:

global.R:

library(shiny)
library(visNetwork)

‍ 

server.R:

shinyServer(function(input, output) {
  output$network <- renderVisNetwork({
    load("nodes.RData")
    load("edges.RData")

    visNetwork(nodes, edges) %>%
      visIgraphLayout()
  })
})

ui.R:

shinyUI(
  fluidPage(
    visNetworkOutput("network")
  )
)

‍Der Screenshot unserer Shiny-App veranschaulicht ein mögliches Ergebnis:

Fazit

Neben anderen verfügbaren Paketen zur interaktiven Visualisierung von Netzwerken in R, ist visNetwork unser absoluter Favorit. Es ist ein leistungsstarkes Paket, um interaktive Netzwerke direkt in R zu erstellen und in Shiny zu veröffentlichen. Wir können unsere Netzwerke direkt in unsere Shiny-Anwendung integrieren und sie mit einer stabilen Performance ausführen, wenn wir die Funktion visIgraphLayout verwenden. So benötigen wir keine externe Software wie Gephi mehr.

Habe ich dein Interesse geweckt, deine eigenen Netzwerke zu visualisieren? Dann kannst du gerne meinen Code verwenden oder mich kontaktieren und die Github-Seite des verwendeten Pakets hier besuchen.

Quellen

Knuth, D. E. (1993) "Les miserables: coappearance network of characters in the novel les miserables", The Stanford GraphBase: A Platform for Combinatorial Computing, Addison-Wesley, Reading, MA