基于形态相似距离的时间序列相似性度量

时间序列的相似性度量是时间序列分析的基础工作之一,是进行相似匹配的关键。针对欧几里德距离描述分段趋势的不足和各种模式距离对应分段之间距离值的离散化问题,提出一种基于形态相似距离的时间序列相似性度量方法,标准数据集上完成的识别和聚类实验表明了该方法的可行性和有效性。     

基于形态模式的时间序列相似性度量算法

时间序列的特征表示与相似性度量是时间序列数据挖掘的重要基础。针对现有的序列表示方法难以具体反映序列的形态变化趋势,导致相似度量结果不精确的问题,提出一种新的基于形态模式的相似性度量算法。该算法在分段线性表示的基础上,根据序列在不同时段的斜率变化情况,划分序列的分段形态模式并用特殊的字符进行表示,把时间序列转换成字符串序列,利用最长公共子序列方法计算字符串序列的距离作为时间序列之间的距离。最后通过实验验证该方法的有效性。理论分析和实验证明该方法对数据点的值不敏感,能够减少噪声的干扰,而且具有较高的准确性。     

辅助信息自动生成的时间序列距离度量学习

对于时间序列聚类任务而言,一个有效的距离度量至关重要.为了提高时间序列聚类的性能,考虑借助度量学习方法,从数据中学习一种适用于时序聚类的距离度量.然而,现有的度量学习未注意到时序的特性,且时间序列数据存在成对约束等辅助信息不易获取的问题.提出一种辅助信息自动生成的时间序列距离度量学习(distancemetric learning based on side information autogeneration for time series,简称SIADML)方法.该方法利用动态时间弯曲(dynamic time warping,简称DTW)距离在捕捉时序特性上的优势,自动生成成对约束信息,使习得的度量尽可能地保持时序之间固有的近邻关系.在一系列时间序列标准数据集上的实验结果表明,采用该方法得到的度量能够有效改善时间序列聚类的性能.     

基于分段极值DTW距离的时间序列相似性度量

在时间序列相似性的研究中,通常采用的欧氏距离及其变形无法对在时间轴上发生伸缩或弯曲的序列进行相似性度量,本文提出了一种基于分段极值DTW距离的时间序列相似性度量方法可以解决这一问题。在动态时间弯曲(DTW)距离的基础上,本文定义了序列的分段极值DTW距离,并阐述了其完整的算法实现。与传统的DTW距离相比,分段极值DTW距离在保证度量准确性的同时大大提高了相似性计算的效率。文中最后运用MATLAB作对比实验,并给出实验结果数据,验证了该度量方法的有效性与准确性。     

基于多维分段和动态权重DTW的多元时间序列相似性度量方法

针对常用方法无法准确度量多元时间序列相似程度的问题,提出一种基于多维分段和动态权重动态时间弯曲距离的多元时间序列相似性度量方法.首先对多元时间序列进行多维分段拟合,选取拟合段的斜率、均值和时间跨度作为每一段的特征,在对多元时间序列降维的同时也保留了变量之间的相关性;然后提出一种动态权重动态时间弯曲距离度量方法计算多元时间序列特征矩阵之间的距离,避免了直接使用动态时间弯曲距离造成的畸形匹配问题.最终实验结果也验证了该方法在多种类型的数据集上都能取得较高的度量精度,表明了该方法的有效性.     

基于滑动平均与分段线性回归的时间序列相似性

针对时间序列相似性度量中欧氏距离对异常数据敏感以及DTW距离算法效率低的问题,提出基于滑动平均与分段线性回归的时间序列相似性方法。首先,使用初始可变滑动平均算法以及分段线性回归对原始时间序列进行数据变换,并将分段线性回归的参数(截距与距离)集作为时间序列的特征,以实现时间序列的特征提取和数据降维;然后,利用动态时间弯曲距离进行距离计算。该方法在时间序列相似性上与DTW算法的性能相近,但是在算法效率上几乎提高了96%。实验结果验证了该方法的有效性与准确性。     

基于增量动态时间弯曲的时间序列相似性度量方法

针对动态时间弯曲方法计算时间过长的问题,提出增量动态时间弯曲来度量较长时间序列之间的相似性。首先利用动态时间弯曲方法对历史时间序列数据进行相似性度量,得到相应的历史最优弯曲路径和路径中各元素的累积距离代价。其次,通过逆向弯曲度量方法完成当前序列数据 的相似性度量,结合历史数据信息找到与历史弯曲路径相交且度量时间序列距离为当前最小值的新路径,进而实现增量动态时间弯曲的相似性度量。该方法不仅具有良好的度量质量,还具有较高的时间效率。数值实验表明,对于大部分时间序列数据集,新方法的分类准确率和计算性能要优于经典动态时间弯曲。     

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。     

时间序列的夹角距离及相似性搜索

提出一种面向相似性搜索的时间序列近似表示和度量方法.在自适应分段线性表示的基础上,使用相邻线段间的夹角构成的角度序列近似表示时间序列,并给出夹角距离度量方法的概念和基本性质的证明过程.序列的夹角距离克服了用点距离度量相似性时鲁棒性差以及物理概念不明确等缺陷,而且具有平移和旋转不变性的突出优点.对人工数据和实际股票数据进行相似搜索,实验结果证明该方法的有效性.     

基于特征点界标过滤的时间序列模式匹配方法

动态时间弯曲距离能度量不等长的时间序列、且具有较高的匹配精度,因此广泛应用在时间序列模式匹配中。但其计算复杂度较高,制约了在大规模数据集上的应用。为了实现时间序列模式度量结果和计算复杂度的平衡,提出一种基于特征点界标过滤的时间序列模式匹配方法。首先,提出一种特征点界标过滤的特征提取方法,保留时间序列主要特征,压缩时间维度;然后,利用动态时间弯曲距离对特征序列进行相似性度量;最后,在应用数据集上对所提方法进行有效性验证。实验结果表明,所提方法在保证高精度的前提下,能有效降低计算复杂度。     

符号序列的概率向量聚类方法*

针对符号序列聚类中表示模型及序列间距离度量定义的困难问题,提出一种基于概率向量的表示模型及基于该模型的符号序列聚类算法。该模型引入符号序列的概率分布表示法,定义了一种基于概率分布差异的符号序列距离度量及该模型的目标函数,最后给出了一种符号序列K-均值型聚类算法,并在来自不同领域的实际应用序列集上进行了实验验证。实验结果表明,与基于子序列表示模型的符号序列聚类算法相比,所提方法在DNA序列和语音序列等具有较多符号的实际数据上,有效提高聚类精度的同时降低聚类时间50%以上。     

Experiencing SAX: a novel symbolic representation of time series

Many high level representations of time series have been proposed for data mining, including Fourier transforms, wavelets, eigenwaves, piecewise polynomial models, etc. Many researchers have also considered symbolic representations of time series, noting that such representations would potentiality allow researchers to avail of the wealth of data structures and algorithms from the text processing and bioinformatics communities. While many symbolic representations of time series have been introduced over the past decades, they all suffer from two fatal flaws. First, the dimensionality of the symbolic representation is the same as the original data, and virtually all data mining algorithms scale poorly with dimensionality. Second, although distance measures can be defined on the symbolic approaches, these distance measures have little correlation with distance measures defined on the original time series. In this work we formulate a new symbolic representation of time series. Our representation is unique in that it allows dimensionality/numerosity reduction, and it also allows distance measures to be defined on the symbolic approach that lower bound corresponding distance measures defined on the original series. As we shall demonstrate, this latter feature is particularly exciting because it allows one to run certain data mining algorithms on the efficiently manipulated symbolic representation, while producing identical results to the algorithms that operate on the original data. In particular, we will demonstrate the utility of our representation on various data mining tasks of clustering, classification, query by content, anomaly detection, motif discovery, and visualization.     

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。     

An iterative end point fitting based trend segmentation representation of time series and its distance measure

Symbolic approximation representation is a key problem in time series which can significantly affect the accuracy and efficiency of data mining. However, since currently used methods divide the original sequence into segments with equal size, they ignore one of the most important features of time series: the trend. To overcome the defect of equal-sized segmenting, we present a trend segmentation representation based on Iterative End Point Fitting algorithm (IEPF-TSR). Particularly, we use iterative end point fitting (IEPF) algorithm to search the break point of each segment and get the trend segmentation. Then a triplet based symbolic representation is proposed for each segment which includes the start point, mean and trend. Moreover, we define a new distance measure method based on trend segmentation representation (TSR-DIST) which can suit for two representations with different lengths, and prove it to be the lower bound of Euclidean distance. The experimental results on UCR datasets show that the proposed representation and distance measure achieve better performance than the state-of-the-art methods in the classification accuracy and the dimensionality reduction ratio.

     

基于数值符号和形态特征的时间序列相似性度量方法

针对传统符号聚合近似方法在特征表示时容易忽略时间序列局部形态特征的局限性,以及动态时间弯曲在度量上的优势,提出一种基于数值符号和形态特征的时间序列相似性度量方法.将时间序列进行符号和形态的特征表示后,提出动态时间弯曲与符号距离结合的时间序列距离度量方法,使所提方法能够较好地反映时间序列数据数值分布和形态特征.实验结果表明,所提出的方法在时间序列数据挖掘中能够得到较好的分类效果,具有一定的优越性.     

适用于区间数据的基于相互距离的相似性传播聚类

符号聚类是对传统聚类的重要扩展,而区间数据是一类常见的符号数据。传统聚类中使用的对称性度量不一定适用于度量区间数据,且算法初始化也一直是干扰聚类的严重问题。因此,提出了一种适用于区间数据的度量--相互距离,并在此度量的基础上采用了一种全新的聚类方法--相似性传播聚类,解决了初始化干扰问题,从而得出了适用于区间数据的基于相互距离的相似性传播聚类。通过理论阐述和实验比较,说明了该算法比基于欧氏聚类的K-均值算法要好。     

融合趋势信息的时间序列符号聚合近似方法

为解决符号聚合近似方法（SAX）表示时间序列时忽略序列局部趋势的问题,提出一种融合形态趋势信息的时间序列符号聚合近似方法。该方法以子序列段中的最大值和最小值以及它们两者之间的相对位置为依据,定义一种新的趋势指标来描述子序列段的趋势,并使用融合趋势指标的符号矢量来近似表示时间序列。针对所提表示方法,给出一种新的距离度量方法,并在UCR数据集和电机转矩数据集上进行分类实验,实验结果表明,所提方法在绝大多数数据集上获得了较SAX方法更高的分类准确率,能够有效弥补SAX方法表示时间序列时忽略局部趋势的不足。     

Classification of silhouettes using contour fragments

In this paper, we propose a fragment-based approach for classification and recognition of shape contours. According to this method, first the perceptual landmarks along the contours are localized in a scale invariant manner, which makes it possible to extracts the contour fragments. Using a predefined dictionary for the fragments, these landmarks and the parts between them are transformed into a symbolic representation that is a compact representation. Using a string kernel-like approach, an invariant high-dimensional feature space is created from the symbolic representation and later the most relevant lower dimensions are extracted by principal component analysis. Finally, support vector machine is used for classification of the feature space. The experimental results show that the proposed method has similar performance to the best approaches for shape recognitions while it has lower complexity.     

基于SAX方法的时间序列分类问题的多阶段改进研究

分类问题是数据挖掘中的基本问题之一,时间序列的特征表示及相似性度量是时间序列数据挖掘中分类、聚类及模式发现等任务的基础。SAX方法是一种典型的时间序列符号化表示方法,在采用该方法的基础上对时间序列进行分类,不仅可以有效地降维、降噪,而且具有简单、直观等特点,但是该方法有可能造成信息损失并影响到分类结果的准确性。为了弥补信息损失对分类结果的影响,采用了集成学习中大多数投票方法来弥补BOP表示后的信息损失,从而提高整个分类器的效率。针对一些样本在BOP表示中都损失了相似的重要信息,以至于大多数投票无法进一步提高分类效率的问题,进一步提出了结合集成学习中AdaBoost算法,通过对训练样本权重的调整,从而达到以提高分类器性能来弥补信息损失的效果。实验结果表明,将BOP方法与集成学习相结合的方法框架,不仅能很好地处理SAX符号化表示中的信息损失问题,而且与已有方法相比,在分类准确度方面也有显著的提高。     

A Dimensionality Reduction Technique for Efficient Time Series Similarity Analysis

We propose a dimensionality reduction technique for time series analysis that significantly improves the efficiency and accuracy of similarity searches. In contrast to piecewise constant approximation (PCA) techniques that approximate each time series with constant value segments, the proposed method--Piecewise Vector Quantized Approximation--uses the closest (based on a distance measure) codeword from a codebook of key-sequences to represent each segment. The new representation is symbolic and it allows for the application of text-based retrieval techniques into time series similarity analysis. Experiments on real and simulated datasets show that the proposed technique generally outperforms PCA techniques in clustering and similarity searches.