In autonomous driving, detection of abnormal driving behaviors is essential to ensure the safety of vehicle controllers. Prior works in vehicle anomaly detection have shown that modeling interactions between agents improves detection accuracy, but certain abnormal behaviors where structured road information is paramount are poorly identified, such as wrong-way and off-road driving. We propose a novel unsupervised framework for highway anomaly detection named Structural Attention-Based Recurrent VAE (SABeR-VAE), which explicitly uses the structure of the environment to aid anomaly identification. Specifically, we use a vehicle self-attention module to learn the relations among vehicles on a road, and a separate lane-vehicle attention module to model the importance of permissible lanes to aid in trajectory prediction. Conditioned on the attention modules' outputs, a recurrent encoder-decoder architecture with a stochastic Koopman operator-propagated latent space predicts the next states of vehicles. Our model is trained end-to-end to minimize prediction loss on normal vehicle behaviors, and is deployed to detect anomalies in (ab)normal scenarios. By combining the heterogeneous vehicle and lane information, SABeR-VAE and its deterministic variant, SABeR-AE, improve abnormal AUPR by 18% and 25% respectively on the simulated MAAD highway dataset over STGAE-KDE. Furthermore, we show that the learned Koopman operator in SABeR-VAE enforces interpretable structure in the variational latent space. The results of our method indeed show that modeling environmental factors is essential to detecting a diverse set of anomalies in deployment. For code implementation, please visit https://sites.google.com/illinois.edu/saber-vae.


翻译:在自动驾驶中,检测异常驾驶行为对于确保车辆控制器的安全性至关重要。先前在车辆异常检测方面的研究表明,对智能体间交互进行建模可提升检测精度,但某些严重依赖结构化道路信息的异常行为(如逆行和越野驾驶)仍难以准确识别。我们提出一种名为"基于结构注意力的循环变分自编码器"(SABeR-VAE)的无监督高速公路异常检测框架,该框架显式利用环境结构辅助异常识别。具体而言,我们采用车辆自注意力模块学习道路上车辆间的关联性,并设计独立的车道-车辆注意力模块对可行驶车道的重要性进行建模以辅助轨迹预测。基于注意力模块输出,一种结合随机Koopman算子传播潜空间的循环编码器-解码器架构可预测车辆后续状态。模型以端到端方式训练以最小化正常车辆行为的预测损失,并部署于(异)常场景中检测异常。通过融合异构的车辆与车道信息,SABeR-VAE及其确定性变体SABeR-AE在模拟MAAD高速公路数据集上相比于STGAE-KDE分别将异常AUPR提升18%和25%。此外,研究表明SABeR-VAE中学习的Koopman算子在变分潜空间中强制生成可解释结构。实验结果充分证明,建模环境因素对于在部署中检测多样化异常至关重要。代码实现请访问:https://sites.google.com/illinois.edu/saber-vae。

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在数据挖掘中,异常检测(英语:anomaly detection)对不符合预期模式或数据集中其他项目的项目、事件或观测值的识别。通常异常项目会转变成银行欺诈、结构缺陷、医疗问题、文本错误等类型的问题。异常也被称为离群值、新奇、噪声、偏差和例外。 特别是在检测滥用与网络入侵时,有趣性对象往往不是罕见对象,但却是超出预料的突发活动。这种模式不遵循通常统计定义中把异常点看作是罕见对象,于是许多异常检测方法(特别是无监督的方法)将对此类数据失效,除非进行了合适的聚集。相反,聚类分析算法可能可以检测出这些模式形成的微聚类。 有三大类异常检测方法。[1] 在假设数据集中大多数实例都是正常的前提下,无监督异常检测方法能通过寻找与其他数据最不匹配的实例来检测出未标记测试数据的异常。监督式异常检测方法需要一个已经被标记“正常”与“异常”的数据集,并涉及到训练分类器(与许多其他的统计分类问题的关键区别是异常检测的内在不均衡性)。半监督式异常检测方法根据一个给定的正常训练数据集创建一个表示正常行为的模型,然后检测由学习模型生成的测试实例的可能性。
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