This paper addresses the problem of detecting time series outliers, focusing on systems with repetitive behavior, such as industrial robots operating on production lines.Notable challenges arise from the fact that a task performed multiple times may exhibit different duration in each repetition and that the time series reported by the sensors are irregularly sampled because of data gaps. The anomaly detection approach presented in this paper consists of three stages.The first stage identifies the repetitive cycles in the lengthy time series and segments them into individual time series corresponding to one task cycle, while accounting for possible temporal distortions.The second stage computes a prototype for the cycles using a GPU-based barycenter algorithm, specifically tailored for very large time series.The third stage uses the prototype to detect abnormal cycles by computing an anomaly score for each cycle.The overall approach, named WarpEd Time Series ANomaly Detection (WETSAND), makes use of the Dynamic Time Warping algorithm and its variants because they are suited to the distorted nature of the time series.The experiments show that \wetsand scales to large signals, computes human-friendly prototypes, works with very little data, and outperforms some general purpose anomaly detection approaches such as autoencoders.


翻译:本文研究了时间序列异常值检测问题,重点关注具有重复性行为的系统,例如在生产线中运行的工业机器人。显著的挑战在于:同一任务多次执行时每次持续时长可能不同,且传感器报告的时间序列因数据缺失而呈现不规则采样。本文提出的异常检测方法包含三个阶段。第一阶段识别长时间序列中的重复周期,并将其分割为对应单个任务周期的独立时间序列,同时考虑可能的时间形变。第二阶段利用基于GPU的重心算法(专门针对超大规模时间序列设计)计算周期的原型模板。第三阶段通过计算每个周期的异常分数,借助原型模板检测异常周期。该整体方法命名为“扭曲时间序列异常检测”(WETSAND),采用动态时间规整算法及其变体,因其适用于时间序列的扭曲特性。实验表明,WETSAND可扩展至大规模信号、生成人类友好的原型模板、在极少量数据下有效工作,且性能优于自编码器等通用异常检测方法。

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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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