As radio telescopes increase in sensitivity and flexibility, so do their complexity and data-rates. For this reason automated system health management approaches are becoming increasingly critical to ensure nominal telescope operations. We propose a new machine learning anomaly detection framework for classifying both commonly occurring anomalies in radio telescopes as well as detecting unknown rare anomalies that the system has potentially not yet seen. To evaluate our method, we present a dataset consisting of 7050 autocorrelation-based spectrograms from the Low Frequency Array (LOFAR) telescope and assign 10 different labels relating to the system-wide anomalies from the perspective of telescope operators. This includes electronic failures, miscalibration, solar storms, network and compute hardware errors among many more. We demonstrate how a novel Self Supervised Learning (SSL) paradigm, that utilises both context prediction and reconstruction losses, is effective in learning normal behaviour of the LOFAR telescope. We present the Radio Observatory Anomaly Detector (ROAD), a framework that combines both SSL-based anomaly detection and a supervised classification, thereby enabling both classification of both commonly occurring anomalies and detection of unseen anomalies. We demonstrate that our system is real-time in the context of the LOFAR data processing pipeline, requiring <1ms to process a single spectrogram. Furthermore, ROAD obtains an anomaly detection F-2 score of 0.92 while maintaining a false positive rate of ~2\%, as well as a mean per-class classification F-2 score 0.89, outperforming other related works.


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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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