Modeling spatiotemporal interactions in multivariate time series is key to their effective processing, but challenging because of their irregular and often unknown structure. Statistical properties of the data provide useful biases to model interdependencies and are leveraged by correlation and covariance-based networks as well as by processing pipelines relying on principal component analysis (PCA). However, PCA and its temporal extensions suffer instabilities in the covariance eigenvectors when the corresponding eigenvalues are close to each other, making their application to dynamic and streaming data settings challenging. To address these issues, we exploit the analogy between PCA and graph convolutional filters to introduce the SpatioTemporal coVariance Neural Network (STVNN), a relational learning model that operates on the sample covariance matrix of the time series and leverages joint spatiotemporal convolutions to model the data. To account for the streaming and non-stationary setting, we consider an online update of the parameters and sample covariance matrix. We prove the STVNN is stable to the uncertainties introduced by these online estimations, thus improving over temporal PCA-based methods. Experimental results corroborate our theoretical findings and show that STVNN is competitive for multivariate time series processing, it adapts to changes in the data distribution, and it is orders of magnitude more stable than online temporal PCA.


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在统计中,主成分分析(PCA)是一种通过最大化每个维度的方差来将较高维度空间中的数据投影到较低维度空间中的方法。给定二维,三维或更高维空间中的点集合,可以将“最佳拟合”线定义为最小化从点到线的平均平方距离的线。可以从垂直于第一条直线的方向类似地选择下一条最佳拟合线。重复此过程会产生一个正交的基础,其中数据的不同单个维度是不相关的。 这些基向量称为主成分。
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