多维时间序列异常检测算法综述

随着信息化技术不断提高，时序数据规模呈指数级增长，为时间序列异常检测算法发展提供了契机和挑战，也使其逐步成为数据分析领域新增的研究热点。然而，这一方面的研究仍处于初步阶段，研究工作的系统性不强。为此，通过整理和分析国内外文献，将多维时间序列异常检测的研究内容按照逻辑顺序分为“维数约简”“时间序列模式表示”和“异常模式发现”三个方面，并对其主流算法进行梳理和归纳，以全面展现当前异常检测的研究现状和特点。在此基础上，还指出了多维时间序列异常检测算法的研究难点和研究趋势，以期对相关理论和应用研究提供有益的参考。     

采用分段特征表示的异常序列检测算法

时间序列的有监督异常检测方法通常依赖于数据的标签,不仅会消耗大量时间进行数据标注,而且难以适用于无法给定标签的数据集。为解决异常序列检测中的标注问题,提出一种采用分段特征表示的异常序列检测方法。该方法采用分段聚合思想对时间序列进行标准化计算,并得到时序数据的特征表示,可提高无标签时间序列异常检测的可靠性。将表示后的特征划分为异常序列相关特征和无关特征,剪枝异常序列无关特征,可减少这些特征对检测结果的不利影响。为有效量化不同序列之间的差异性,提出一种面向时间权重分析的时间序列相似性度量方法,并构建时间序列的相似度矩阵,用于计算序列之间的相似度,可适用于无标签的时间序列中。在此基础上,根据相似度矩阵来计算每个子序列的异常分数,将其用于异常子序列的判定。通过合成数据集和真实数据集的实验对比表明：该方法节省了计算开销,提高了算法运行的时间效率和异常序列检测的准确率。     

基于趋势转折点的时间序列分段线性表示

分段线性表示是时间序列降维的有效方法。在总结分析序列趋势变化特点的基础上,提出了一种基于趋势转折点的时间序列分段线性表示算法。首先定义了趋势转折点作为时间序列分段点的备选集,以点到区域的距离度量趋势转折点的重要性,再根据给定的阈值选择重要趋势转折点作为分段点,对时间序列进行分段线性表示。通过与其他6种方法进行实验比较,结果表明：所提方法在具有较好的拟合质量和适应能力以及对转折点明显的序列,都表现出较强的抗噪声干扰能力。     

基于时间序列趋势转折点的分段线性表示*

在充分利用时间序列时变特征的基础上,以有效地提取序列中的趋势和压缩原始数据为目标,提出了基于时间序列趋势转折点的分段线性表示方法。该方法在有效地提取序列中的趋势和压缩原始数据的同时,能够随着时间序列长度的增长对序列进行划分,具有高效、实现方法简便、效果直观的优点,对于不同领域的数据适应性良好。     

时间序列数据趋势转折点提取算法

时间序列数据蕴含趋势信息,可以根据数据的趋势信息提取趋势转折点,达到压缩数据、减少噪声影响的目的。通过分析时间序列数据的趋势信息,提出自适应数据趋势转折点提取算法。该算法不依赖任何先验知识,根据数据本身的趋势特征自动提取趋势转折点,提取信息包括坐标索引和对应数据。UCR时间序列分类数据集与SEEP、CAP和PAA等算法进行对比的实验结果表明,在多种数据情况下,该算法拟合误差和分类错误率更小,平均拟合误差为0.373 6,分类错误率同原始数据的分类错误率相比减少3.39%。     

时间序列的表示与分类算法综述

时间序列是按照时间排序的一组随机变量,它通常是在相等间隔的时间段内,依照给定的采样率,对某种潜在过程进行观测的结果。时间序列数据广泛地存在于商业、农业、气象、生物科学以及生态学等诸多领域,从时间序列中发现有用的知识已成为数据挖掘领域的研究热点之一。在时间序列表示方面,主要介绍了非数据适应性表示方法、数据适应性表示方法和基于模型的表示方法;针对时间序列的分类方法,着重介绍了基于时域相似性、形状相似性和变化相似性的分类算法,并对未来的研究方向进行了进一步的展望。     

时间序列增量异常模式检测算法

在k-近邻局部异常检测算法的基础上,结合时间序列的分割方法,提出一种高效率的时间序列增量异常模式检测算法。将时间序列按序列重要点进行数据分割,利用局部异常检测方法检测出时间序列的异常模式。当插入一些新数据时,邻近分割模式发生变化,增量异常检测算法更新相应的最近邻模式。通过该算法可以高效率地发现时间序列的异常模式。     

基于时间序列模式表示的异常检测算法*

提出了一种基于时间序列的模式表示提取时间序列异常值的异常检测算法(PREOV).时间序列的模式表示本身就具有压缩数据、保持时间序列基本形态的功能,并且具有一定的除噪能力.在时间序列模式表示的基础上提取异常值,可以大大提高算法的效率和准确性,达到事半功倍的效果.在本算法中,还使用了一定的剪枝策略,使得算法的时间复杂度进一步降低.该算法计算简单、实现方便、无须训练,可以支持时间序列的动态增长.     

时间序列异常检测

在k-近邻局部异常检测算法的基础上,结合时间序列的分割方法,提出了一种高效的时间序列异常检测算法。该算法首先把序列重要点作为数据的分割点,对时间序列数据进行高比例压缩;其次利用局部异常检测方法检测出时间序列中的异常模式。通过心电图（ECG）数据实验验证了算法的有效性和合理性。     

基于时间序列的预测模型应用与异常检测

为解决由于产生时间序列数据时的一些不确定因素而导致预测结果在数值上存在较大偏差的问题,通过分析基于时间序列的历史数据,提出基于迭代的异常检测方法,剔除一些可能对时间序列造成影响的历史事件．实验证明该方法可大大提高预测的精度,得到的预测数据对未来的工作和研究有着更好的借鉴作用。     

基于改进符号化度量方法的机场噪声异常检测

机场噪声中的异常情况拥有很大价值,利用它能够及时完善飞机和机场的设备。结合机场噪声数据的特点,对上述问题进行研究并提出一种基于改进的符号化聚集近似(Symbolic Aggregate Approximation,SAX)相似性度量的单监测点的时间序列异常检测方法。其运用相似性度量方法计算出度量结果,再运用k近邻异常检测方法进行异常发现,最后发现异常时间段。该方法在理论验证可行性之后在某机场的实测数据中进行应用,取得了良好的效果。     

基于多模态对抗学习的无监督时间序列异常检测

时间序列异常检测旨在发现对应时序特征中不符合一般规律的特异性模式,是机器学习领域重要的研究方向之一.然而,现有的时序异常检测方法大多为单模态学习,忽略了时序信息在多模态空间上不同特征分布的关联性和互补性,不能充分利用已有信息进行有效地模式挖掘,从而造成检测效果差等问题.为此,提出了一种基于多模态对抗学习的无监督时间序列异常检测模型.首先,将原始时间序列转换至频域空间,构造多模态时间序列表示.其次,提出多模态生成对抗网络模型,针对多模态时间序列,实现正常时序信息关于时域和频域特征分布的无监督联合学习.最后,通过将异常检测问题转化为时间序列在时域和频域空间的重构度量问题,从时域空间和频域空间2个方面度量时间序列的异常值,实现更有效的异常检测.在时间序列数据集合UCR和MIT-BIH中的6个真实数据集的实验结果表明,在异常检测任务上相较于传统单模态异常检测方法,提出方法在AUC和AP这2个性能指标上最高分别提升了12.50%和21.59%,证明了方法的有效性.     

基于相关性分析的工业时序数据异常检测

多维时间序列上的异常检测,是时态数据分析的重要研究问题之一.近年来,工业互联网中传感器设备采集并积累了大量工业时间序列数据,这些数据具有模式多样、工况多变的特性,给异常检测方法的效率、效果和可靠性均提出更高要求.序列间相互影响、关联,其隐藏的相关性信息可以用于识别、解释异常问题.基于此,提出一种基于序列相关性分析的多维时间序列异常检测方法.首先对多维时间序列进行分段、标准化计算,得到相关性矩阵,提取量化的相关关系;然后建立了时序相关图模型,通过在时序相关图上的相关性强度划分时间序列团,进行时间序列团内、团间以及单维的异常检测.在真实的工业设备传感器数据集上进行了大量实验,实验结果验证了该方法在高维时序数据的异常检测任务上的有效性.通过对比实验,验证了该方法从性能上优于基于统计和基于机器学习模型的基准算法.该研究通过对高维时序数据相关性知识的挖掘,既节约了计算成本,又实现了对复杂模式的异常数据的精准识别.     

面向多元时序数据的个性化联邦异常检测方法

随着实时传感器在诸如机场、发电厂、智能工厂和医疗保健系统等各种领域的广泛运用,对多变量时间序列数据的异常检测变得更加重要。然而,目前面临两个关键的挑战。数据机构的敏感数据通常以孤岛的形式存在,这使得在保护隐私安全的前提下难以融合数据,无法训练出高性能的异常检测模型。不同数据机构的数据存在统计异构性,在个性化数据场景下,使用统一的异常检测模型的性能不佳。提出了一种面向多元时序数据的个性化联邦异常检测框架FedPAD（federated personalized anomaly detection）。FedPAD基于联邦学习架构,在保护隐私的前提下进行数据聚合,通过微调构建相对个性化的模型。在NASA航天器数据集上的实验表明,FedPAD能够实现准确和个性化的异常检测,相比于基准方法F1分数平均提高了6.9%。     

基于图自编码器的无监督多变量时间序列异常检测

针对多变量时间序列复杂的时间相关性和高维度使得异常检测性能较差的问题,以对抗训练框架为基础提出基于图自编码的无监督多变量时间序列异常检测模型.首先,将特征转换为嵌入向量来表示;其次,将划分好的时间序列结合嵌入向量转换为图结构数据;然后,用两个图自编码器模拟对抗训练重构数据样本;最后,根据测试数据在模型训练下的重构误差进行异常判定.将提出的方法与5种基线异常检测方法进行比较.实验结果表明,提出的模型在测试数据集获得了最高的F1分数,总体性能分F1分数比最新的异常检测模型USAD提高了28.4%.可见提出的模型有效提高异常检测性能.     

面向相似性搜索的时间序列表示方法述评

时间序列作为一种数据形式,广泛存在于各种商业、医学、工程、自然科学和社会科学等数据库中。近年来,时间序列的相似性搜索问题正得到越来越多的重视。该问题可描述为给定某个的时间序列,要求从一个大型时间序列数据库中找出与之最相似的序列。该问题的有效求解涉及到两个关键难点,即相似性度量的定义和搜索算法的时间复杂度,而这两者都依赖于时间序列的近似表示方法。因此,通过详细评述面向相似性搜索的各种时间序列近似表示方法,对这些方法进行分析和比较,总结了这些方法的优点和不足,并对进一步的研究方向作出了预测。     

基于核密度波动的异常检测算法

异常检测是数据挖掘中的一个重要研究方向,当前大多数基于密度的异常检测算法常常基于样本分布假设,敏感于近邻参数k并且缺乏对集体异常点的检测能力.针对这些问题,提出了一种基于核密度估计的核密度波动算法.定义了可以综合评估数据点邻域内和邻域外核密度值波动的核密度波动因子,将其作为检测指标,并制定检测规则来识别异常点,这一指标...     

基于PSO和外部知识的时序数据异常检测

在时间序列数据的异常检测中, 单一模型往往只提取与自身模型结构相关的时序特征, 从而容易忽略其他特征. 同时, 面对大规模的时序数据, 模型难以对时序数据的局部趋势进行建模. 为了解决这两个问题, 本文提出一种基于粒子群优化算法(particle swarm optimization, PSO)和外部知识的异常检测模型PEAD. PEAD模型以深度学习模型作为基模型, 引入快速傅里叶变换生成的外部知识来提高基模型对局部趋势的建模能力, 随后PEAD模型以Stacking集成学习的方式训练基模型, 再使用PSO算法对基模型的输出加权求和, 对加权求和后的重构数据进行异常检测, PSO算法能够让模型的最终输出共同关注时序数据的全局特征和时间特征, 丰富模型提取的时序特征, 从而提高模型的异常检测能力. 通过对6个公开数据集进行测试, 研究结果表明PEAD模型在大部分数据集上表现良好.     

一种基于关键点的时间序列线性表示方法

时间序列数据具有规模大、维度高等特点,直接在原始序列上进行数据挖掘,其计算复杂度高且易受噪声影响,因此对原始时间序列进行预处理是必不可少的,而常用的线性表示方法大多存在对分段点的筛选准确度不高的问题。基于时间序列的变化特征,提出了一种基于时间序列关键点的线性表示方法。该方法综合考虑了时间跨度和振幅变化,能高效提取时间序列中的关键点,并防止过度除噪,实现简单。实验表明,该方法对不同领域的数据具有良好的普适性。     

基于变化点的时间序列近似表示

时间序列的近似表示能够提高时间序列数据挖掘的效率和可靠性。提出了一种基于变化点的时间序列近似表示,具有简单直观、近似质量高、适应能力强等优点。在来自不同领域的真实数据集上的实验表明:与时间序列的重要点分段表示和分段常量表示相比,基于变化点的时间序列近似表示在近似质量和适应能力上都具有明显的优势。