Anomaly detection on time series data is increasingly common across various industrial domains that monitor metrics in order to prevent potential accidents and economic losses. However, a scarcity of labeled data and ambiguous definitions of anomalies can complicate these efforts. Recent unsupervised machine learning methods have made remarkable progress in tackling this problem using either single-timestamp predictions or time series reconstructions. While traditionally considered separately, these methods are not mutually exclusive and can offer complementary perspectives on anomaly detection. This paper first highlights the successes and limitations of prediction-based and reconstruction-based methods with visualized time series signals and anomaly scores. We then propose AER (Auto-encoder with Regression), a joint model that combines a vanilla auto-encoder and an LSTM regressor to incorporate the successes and address the limitations of each method. Our model can produce bi-directional predictions while simultaneously reconstructing the original time series by optimizing a joint objective function. Furthermore, we propose several ways of combining the prediction and reconstruction errors through a series of ablation studies. Finally, we compare the performance of the AER architecture against two prediction-based methods and three reconstruction-based methods on 12 well-known univariate time series datasets from NASA, Yahoo, Numenta, and UCR. The results show that AER has the highest averaged F1 score across all datasets (a 23.5% improvement compared to ARIMA) while retaining a runtime similar to its vanilla auto-encoder and regressor components. Our model is available in Orion, an open-source benchmarking tool for time series anomaly detection.


翻译:对时间序列数据的异常探测在监测指标以防止潜在事故和经济损失的不同工业领域日益常见。然而,缺乏标签数据以及异常点的模糊定义可能会使这些努力复杂化。最近未经监督的机器学习方法在利用单一时间戳预测或时间序列重建来解决这一问题方面取得了显著的进展。虽然传统上分开审议,但这些方法并不相互排斥,能够提供异常点探测的互补观点。本文件首先着重介绍了预测和重建方法的成功和局限性,并附有可视化的时间序列信号和异常分数。我们然后提议AER(自动计算与回归相结合),这是一个将香草自动编码和LSTM回溯式相结合的联合模型,以纳入成功之处并解决每种方法的局限性。我们的模型可以产生双向预测,同时通过优化联合目标功能来重建原始时间序列。此外,我们提出了几种模式,通过一系列可视化的时间序列信号序列信号将预测和重建的错误与可视化时间序列(自动编码与两种基于预测的自动编码的自动编码编码) 和亚马尼亚平均数据序列(亚历12年) 对比,一个可辨的系统数据序列比,一个可辨测算算出最高时间序列,一个最新数据序列,一个数据序列和亚马萨里亚平均结果。

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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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