管道流量泄漏时间序列分类的算法研究

时间序列分类比一般分类问题困难,主要在于要分类的时间序列数据不等长,因此不能直接应用一般的分类算法。首先提出基于聚类模型的数据转换,然后进行基于模型的聚类分析,用领域相关法对时间序列建模,用模型参数组成等长向量来表示每条序列,最后进行时间序列匹配算法分析,用分类算法进行训练和分类。结合管道流量泄漏点提出一种时间序列匹配的新方法,利用同类样本间的连续性规律,将时间序列排序,并在相邻的时间序列之间添加样本点,新方法优于基于动态时间弯折的传统方法;针对管道流量泄漏时间序列分类的算法研究观测到不同算法在不同因素影响下的性能表现,为今后发展新的算法提供有力依据。     

基于多尺度残差FCN的时间序列分类算法

时间序列数据广泛存在于我们的生活中,吸引了越来越多的学者对其进行深入的研究.时间序列分类是时间序列的一个重要研究领域,目前已有上百种分类算法被提出.这些方法大致分为基于距离的方法、基于特征的方法以及基于深度学习的方法.前两类方法需要手动处理特征和人为选择分类器,而大多数的深度学习方法属于端到端的方法,并且在时间序列分类问题中表现出不错的分类效果.但是,目前基于深度学习的方法很少能够针对时间序列数据中时间尺度选择的问题对网络进行改进,在网络结构方面,很少将网络进行融合,从而更好地发挥各自的优势.为了解决这两类问题,提出一种多尺度残差全卷积神经网络(MRes-FCN)结构,用来处理时间序列问题.该结构主要分为数据预处理阶段、全卷积网络与残差网络结合的阶段.为了评价该方法的性能,在UCR的85个公开数据集上进行了实验,与基于距离的方法、基于特征的方法和基于深度学习的方法分别进行了比较.实验结果表明:所提出的方法较其他方法而言具有很好的性能,在多个数据集上优于大多数方法.     

一种基于始末距离的时间序列符号聚合近似表示方法

时间序列数据的特征表示方法是时间序列数据挖掘任务的关键技术,符号聚合近似表示(SAX)是特征表示方法中比较常用的一种。针对SAX算法在各序列段表示符号一致时无法区分时间序列间的相似性这一缺陷,提出了一种基于始末距离的时间序列符号聚合近似表示方法(SAX_SM)。由于时间序列有很强的形态趋势,因此文中提出的方法选用起点和终点来表示各个序列段的形态特征,并使用各序列段的形态特征和表示符号来近似表示时间序列数据,以将其从高维空间映射到低维空间;然后,针对起点和终点构建始末距离来计算两序列段间的形态距离;最后, 结合 始末距离和符号距离定义一种新的距离度量方式,以更客观地度量时间序列间的相似性。理论分析表明,该距离度量满足下界定理。在20组UCR时间序列数据集上的实验表明,所提SAX_SM方法在13个数据集中获得了最高的分类准确率(包含并列最大的),而SAX只在6个数据集中获得了最高的分类准确率(包含并列最大的),因此SAX_SM具有比SAX更优的分类效果。     

时间序列相似性度量的研究

时间序列的相似性度量是时间序列数据挖掘研究中的一个重要问题,是进行序列查询、分类、预测的一项基础工作。寻求一种好的度量对提高挖掘任务的效率和准确性有着至关重要的意义。目前从事这方面的研究除了少许理论论述外,几乎都采用一种固定的方法,即提出具体要求并提供实验数据。然而,大多数实验方法不是使用范围有限就是侧重点不同。为了提供一个比较全面的实验验证,用1NN分类算法进行了大量的时间序列交叉验证实验,重新评估了其中的弹性度量,并使用不同应用领域的28个时间序列数据集进行比较,结果表明,该方法具有更高的准确性。     

面向噪声数据的时间序列相似性搜索研究

为了减少噪声数据对查询最优序列的影响,避免Euclidean距离对形态的敏感性,以及要求序列等长的缺点,提出了面向噪声数据的时间序列相似性搜索算法.运用SPC方法去除序列中的噪声数据;采用DTW距离作为度量函数,使用规范化方法使序列处于相同的分辨率下;采用LB_ Keogh下界函数对候选序列集合进行筛选.仿真实验结果表明,该算法在阈值较小时,对含有噪声数据序列的匹配能力较强.     

时间序列序列模式的相似性研究

时间序列序列模式相似性的度量是从时间序列中获取时序关联规则的重要环节。一般情况下,距离度量法只能度量相同长度序列模式的相似性。借用动态时间弯曲距离的思想,这种基于非线性弯曲技术的算法可以获得很高的识别、匹配精度。在定义元模式相似性的基础上,定义了序列模式的动态时间弯曲距离,最后用两个不同时间序列进行仿真实验,可以得到不同长度的序列的相似度。     

基于孪生神经网络的时间序列相似性度量

在时间序列分类等数据挖掘工作中，不同数据集基于类别的相似性表现有明显不同，因此一个合理有效的相似性度量对数据挖掘非常关键。传统的欧氏距离、余弦距离和动态时间弯曲等方法仅针对数据自身进行相似度公式计算，忽略了不同数据集所包含的知识标注对于相似性度量的影响。为了解决这一问题，提出基于孪生神经网络（SNN）的时间序列相似性度量学习方法。该方法从样例标签的监督信息中学习数据之间的邻域关系，建立时间序列之间的高效距离度量。在UCR提供的时间序列数据集上进行的相似性度量和验证性分类实验的结果表明，与ED/DTW-1NN相比SNN在分类质量总体上有明显的提升。虽然基于动态时间弯曲（DTW）的1近邻（1NN）分类方法在部分数据上表现优于基于SNN的1NN分类方法，但在分类过程的相似度计算复杂度和速度上SNN优于DTW。可见所提方法能明显提高分类数据集相似性的度量效率，在高维、复杂的时间序列的数据分类上有不错的表现。     

基于分量属性近邻传播的多元时间序列数据聚类方法

鉴于传统方法不能直接有效地对多元时间序列数据进行聚类分析,提出一种基于分量属性近邻传播的多元时间序列数据聚类方法.通过动态时间弯曲方法度量多元时间序列数据之间的总体距离,利用近邻传播聚类算法分别对数据之间的总体距离矩阵和分量近似距离矩阵进行聚类分析,综合考虑这两种视角下序列数据之间的关联关系,使用近邻传播方法对反映原始多元时间序列数据的综合关系矩阵实现较高质量的聚类.数值实验结果表明,与传统聚类方法相比,所提出方法不仅能够有效地反映总体数据特征之间的关系,而且通过重要分量属性序列之间的关联关系分析能够提高原始时间序列数据的聚类效果.     

基于信息论方法的分类数据相似性度量

两实例的距离或相似性度量在数据挖掘和机器学习中扮演着重要的角色。常用的距离度量方法主要适用于数值数据,针对分类数据,本文提出一种数据驱动的相似性度量方法。该方法利用属性值与类标签的信息,将属性值的类条件概率结合信息论来度量分类数据的相似性。为了与已提出的相似性度量方法作比较,把各度量方法与k最近邻算法结合,对多个分类数据集进行分类,通过十折交叉验证比较结果的错误率。实验表明该度量结合k最近邻方法使分类具有较低的错误率。     

面向相似性查询的时间序列距离度量方法述评

从一元时间序列和多元时间序列两个方面对当前提出的主要时间序列距离度量方法进行了述评.深入分析了各种算法的原理和特点,比较了算法对时间序列形变的支持情况以及时间复杂度.从客观上讲,各种算法之间并不具有绝对的优劣关系,每种算法的原理和特点各异,适用的问题领域也不一样.对于工程应用中选择时间序列距离度量方法具有指导意义,同时对于设计新的距离度量方法也具有参考价值.     

基于混合属性的产品优化聚类算法

针对分类研究中采用单一类型数据造成的结果失真, 提出了综合考虑产品属性和销售时间序列的两阶段优化聚类算法。分别采用基于属性的相似性排序及时间序列的分层优化聚类实现产品单独聚类, 然后基于初始聚类结果及参数化的动态相对权重提出考虑噪声数据处理的分层聚类方法实现产品综合优化分类。企业实例应用研究表明综合聚类模型及两阶段算法在聚类精度及时间复杂度上具有明显的优势, 相对权重的动态参数化设置有效解决了不同产品间个性化特征的差异表示。通用数据集的仿真进一步验证了算法在解决混合属性产品聚类问题时的优越性及广泛适用性。     

Structural Periodic Measures for Time-Series Data

This work motivates the need for more flexible structural similarity measures between time-series sequences, which are based on the extraction of important periodic features. Specifically, we present non-parametric methods for accurate periodicity detection and we introduce new periodic distance measures for time-series sequences. We combine these new measures with an effective metric tree index structure for efficiently answering k-Nearest-Neighbor queries. The goal of these tools and techniques are to assist in detecting, monitoring and visualizing structural periodic changes. It is our belief that these methods can be directly applicable in the manufacturing industry for preventive maintenance and in the medical sciences for accurate classification and anomaly detection.

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HiTempo: a platform for time-series analysis of remote-sensing satellite data in a high-performance computing environment

Course resolution earth observation satellites offer large data sets with daily observations at global scales. These data sets represent a rich resource that, because of the high acquisition rate, allows the application of time-series analysis methods. To research the application of these time-series analysis methods to large data sets, it is necessary to turn to high-performance computing (HPC) resources and software designs. This article presents an overview of the development of the HiTempo platform, which was designed to facilitate research into time-series analysis of hyper-temporal sequences of satellite image data. The platform is designed to facilitate the exhaustive evaluation and comparison of algorithms, while ensuring that experiments are reproducible. Early results obtained using applications built within the platform are presented. A sample model-based change detection algorithm based on the extended Kalman filter has been shown to achieve a 97% detection success rate on simulated data sets constructed from MODIS time series. This algorithm has also been parallelized to illustrate that an entire sequence of MODIS tiles (415 tiles over 9 years) can be processed in under 19 minutes using 32 processors.     

A spatial-temporal iterative tensor decomposition technique for action and gesture recognition

Classification of video sequences is an important task with many applications in video search and action recognition. As opposed to some traditional approaches that transform original video sequences into forms of visual feature vectors, tensor-based methods have been proposed for classifying video sequences with natural representation of original data. However, one obvious limitation of tensor-based methods is that the input video sequences are often required to be preprocessed with a unified length of time. In this paper, we propose a technique for handling classification of video sequences in unequal length of time, namely Spatial-Temporal Iterative Tensor Decomposition (S-TITD) for uniform length. The proposed framework contains two primary steps. We first represent original video sequences as a third-order tensor and perform Tucker-2 decomposition to obtain the reduced-dimension core tensor. Then we encode the third order of core tensor to a uniform length by adaptively selecting the most informative slices. Notably, the above two steps are embedded into a dynamic learning framework to guarantee the proposed method has the ability of updating results over time. We conduct a series of experiments on three public datasets in gesture and action recognition, and the experimental results show that the proposed S-TITD approach achieves better performances than the state-of-the-art algorithms.     

一种基于DTW聚类的水文时间序列相似性挖掘方法

水文时间序列相似性挖掘是水文时间序列挖掘的重要方面,对洪水预报、防洪调度等具有重要意义。针对水文数据的特点,提出了一种基于DTW聚类的水文时间序列相似性挖掘方法。该方法先对数据进行小波去噪、特征点分段以及语义划分,再基于DTW距离对划分后的子序列做层次聚类并符号化;然后根据符号序列间的编辑距离筛选候选集;最后通过序列间的DTW距离进行精确匹配,获取相似水文时间序列。以滁河六合站的日水位数据进行实验,结果表明,所提方法能够有效地缩小候选集,提高查找语义相似的水文时间序列的效率。     

基于深度学习的时间序列数据异常检测方法

针对类间分布不平衡的时间序列数据的异常检测问题,提出了一种基于深度卷积神经网络的检测方法.首先采用抽样法对不平衡时间序列数据进行预处理;其次,将处理后的时间序列数据转换为尺度一致、时长一致的片段;最后将数据送入具有4层隐藏层结构的卷积神经网络模型中进行异常检测.实验结果表明,所提方法弥补了现存的检测技术由于忽略数据分布的偏斜性而造成的少数类检测精度低的缺点,并通过与现有的时间序列分类方法的比较,验证了所提方法的高效性.     

Densifying Distance Spaces for Shape and Image Retrieval

Sparse data sets are an ever-present problem in many fields of computer science. In the shape retrieval community, several researchers use graph transduction algorithms to reveal the underlying structure of the shape manifold. Without an infinite number of shapes, the data sets can only imprecisely describe the shape manifold. For this problem, adding synthetic data points can be very effective. However existing methods add synthetic points only in feature space. In distance spaces, which are often non-metric and are widely used in bioinformatics, time series classification, shape similarity, and other domains, it is impossible to use these standard, feature-based methods, such as SMOTE, to insert synthetic points. Instead, we present an innovative approach that adds synthetic points directly to distance spaces. We call these synthetic points ghost points since they are not represented by vectors of features, and consequently, cannot be directly visualized. However, we can define the distances of ghost points to all other data points. Our experimental results on standard data sets show that ghost points not only significantly improve the accuracy of shape retrieval, but also the accuracy of image retrieval. We also discuss the conditions that allow the ghost points to improve retrieval results.